Способ получения пористого углеродного материала с бимодальным распределением пор



Способ получения пористого углеродного материала с бимодальным распределением пор
Способ получения пористого углеродного материала с бимодальным распределением пор

 


Владельцы патента RU 2534542:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" (RU)

Изобретение относится к способам получения пористых углеродных материалов. Процесс получения гранулированного пористого углеродного материала состоит из двух стадий. На первой стадии сажу смешивают с нефтяным пеком и растворителем, далее полученную смесь гранулируют, гранулы стабилизируют в газовой среде при температуре не более 250°С, подвергают карбонизации при 600-1200°С и охлаждают. Продукт, полученный на первой стадии, обладает узким распределением пор. На второй стадии продукт, полученный на первой стадии, измельчают до размера частиц менее 1 мм, смешивают с нефтяным пеком и растворителем, смесь гранулируют. Полученные гранулы подвергают стабилизации и карбонизации при тех же условиях, как на первой стадии. Техническим результатом является обеспечение возможности получения пористого углеродного материала, характеризующегося бимодальным распределением пор и низким содержанием золы. 1 ил., 1 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к способам получения пористых углеродных материалов.

Известны пористые углеродные материалы - активные угли, применяемые в качестве адсорбентов и носителей для катализаторов, которые получают пиролизом различных углеродсодержащих материалов, например древесины, торфа, каменного угля, продуктов нефтепереработки, органических полимеров с последующей активацией паровоздушной смесью, углекислым газом или другими активирующими агентами [Кинле X., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение / Пер. с нем. - Л.: Химия, 1984. - 216 с.]. Приготовленные известными способами углеродные материалы имеют развитую пористую структуру. Для них характерно широкое распределение пор по размерам, т.е. активные угли содержат как поры небольшого размера, так и крупные транспортные поры. Первые отвечают за процессы адсорбции (в случае, если активные угли используются как адсорбенты) и протекание химических реакций (если активные угли используются как носители катализаторов). Крупные транспортные поры позволяют молекулам адсорбата или исходных реагентов достигать поверхности мелких пор, т.е. облегчать процессы внутренней диффузии в порах адсорбента, что увеличивает скорость всего процесса в целом. Наличие крупных пор является особенно важным в случае адсорбции из растворов или жидкофазных каталитических процессов (например, гидрирование масел). Однако существенным недостатком активных углей является их высокая зольность (до 20% мас.). Из-за этого при утилизации отработанных катализаторов на основе активных углей после сжигания катализаторов содержание драгоценных компонентов (например, палладия - в случае палладиевых катализаторов) в золе составляет около 15-20% масс., что делает утилизацию отработанных катализаторов менее выгодной.

Наиболее близким к заявляемому способу получения пористого углеродного материала является способ [Kugatov P.V., Zhirnov B.S. Porous carbon/carbon composites produced from carbon black and petroleum pitch // Journal of Porous Materials. 2013. V. 20, №4. Pp.875-882], в котором сажу смешивают с нефтяным пеком в присутствии растворителя до образования однородной пластичной массы, полученную смесь гранулируют, гранулы стабилизируют нагреванием их до температуры 200°C, карбонизируют при температурах 600-1000°C в инертной среде и охлаждают. Полученный пористый углеродный материал по сравнению с активными углями обладает низкой зольностью (менее 1%). Однако недостатком данного материала является узкое распределение пор по размерам с преобладанием относительно небольших пор, вызванное использованием сажи в качестве наполнителя. Доля же крупных пор не превышает 15%.

Задачей данного изобретения является разработка способа получения пористого углеродного материала с низким содержанием золы, обладающего бимодальным распределением пор. Наличие крупных пор в данном материале может сделать более эффективным его использование в технологических процессах.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения пористого углеродного материала, включающем смешение сажи с нефтяным пеком и растворителем, гранулирование полученной смеси, стабилизацию гранул путем их нагревания в воздушной среде и карбонизацию гранул с последующим охлаждением с получением гранулированного материала с узким распределением пор, согласно изобретению полученный гранулированный материал с узким распределением пор измельчают до размера частиц менее 1 мм, смешивают с нефтяным пеком в присутствии растворителя, полученную смесь гранулируют, гранулы стабилизируют нагреванием их до температуры не более 250°C, карбонизируют при температурах 600-1200°C в инертной среде и охлаждают.

Если размер частиц измельченного углеродного материала гранул, полученных после первой стадии, превышает 1 мм, то конечные гранулы получаются непрочными. Гранулы также получаются непрочными, если температура карбонизации меньше 600°C, так как в этом случае исходный пек в гранулах может неполностью превратиться в кокс. Верхний предел температуры карбонизации обусловлен высокими затратами на прокалку при более высоких температурах.

Способ получения предлагаемого пористого углеродного материала состоит из двух стадий и осуществляется следующей последовательностью действий.

На первой стадии сажу со средним размером частиц 10-350 нм и удельной поверхностью 10-160 м2/г смешивают не менее 30 минут до образования пластичной массы с измельченным нефтяным пеком с температурой размягчения 40-150°C и выходом летучих веществ 20-80% и растворителем; далее полученную смесь гранулируют, гранулы стабилизируют в газовой среде при температуре не более 250°C, карбонизируют при температурах 600-1200°C и охлаждают.

На второй стадии готовые углеродные гранулы измельчают до размера частиц менее 1 мм, смешивают не менее 30 минут до образования пластичной массы с измельченным нефтяным пеком с температурой размягчения 40-150°C и выходом летучих веществ 20-80% и растворителем; далее полученную смесь гранулируют, гранулы стабилизируют в газовой среде при температуре не более 250°С, карбонизируют при температурах 600-1200°C и охлаждают.

На чертеже представлены дифференциальные кривые распределения пор образцов.

Полученный пористый углеродный материал имеет поры в широком диапазоне размеров, причем благодаря использованию сажи в качестве первичного наполнителя на первой стадии в конечном материале присутствуют поры небольшого размера. Также в готовом материале присутствуют крупные поры благодаря тому, что полученные на первой стадии гранулы измельчают с получением вторичного наполнителя. Таким образом, на кривой распределения пор видно, что данный материал обладает бимодальным распределением пор с двумя максимумами. Благодаря такому характеру распределения пор предлагаемый пористый углеродный материал может найти промышленное применение в промышленности как адсорбент и как носитель для катализаторов в тех технологических процессах, где скорость всего процесса ограничивается внутренней диффузией молекул реагентов в порах углеродного материала.

Примеры реализации способа

Пример 1 (прототип). 100 г сажи марки П 701 по ГОСТ 7885-86 смешивают с 43 г нефтяного пека с температурой размягчения 145°C, выходом летучих веществ 45% и размером частиц не более 0,315 мм в течение 10 минут, добавляют 220 мл (при температуре 20°C) толуола и перемешивают в течение 60 минут, полученную смесь экструдируют под давлением 0,5-5,0 МПа через фильеры диаметром 2,7 мм; гранулы стабилизируют в воздушной среде при температуре 120-150°C в течение 30 минут, нагревают в инертной среде со скоростью 15-20 град./мин до температуры 700°C и выдерживают при данной температуре в течение 30 минут, далее гранулы охлаждают до температуры 20°C. Характеристики полученного углеродного материала представлены в таблице.

Пример 2. Полученные по первому способу углеродные гранулы измельчают до размера частиц менее 1 мм. 103,5 г измельченного углеродного материала смешивают с 44,4 г нефтяного пека с температурой размягчения 145°C, выходом летучих веществ 45% и размером частиц не более 0,315 мм в течение 10 минут, добавляют 200 мл (при температуре 20°C) толуола и перемешивают в течение 60 минут, полученную смесь экструдируют под давлением 0,5-5,0 МПа через фильеры диаметром 2,7 мм; гранулы стабилизируют в воздушной среде при температуре 120-150°C в течение 30 минут, нагревают в инертной среде со скоростью 15-20 град./мин до температуры 700°C и выдерживают при данной температуре в течение 30 минут, далее гранулы охлаждают до температуры 20°C. Характеристики полученного углеродного материала представлены в таблице.

Пример 3. Описываемый процесс получения пористого углеродного материала проводят при соответствии всех условий примеру 2 за исключением того, что стабилизацию гранул проводят при температуре 220-250°C.

Пример 4. Описываемый процесс получения пористого углеродного материала проводят при соответствии всех условий примеру 2 за исключением того, что карбонизацию гранул проводят при температуре 600°C.

Пример 5. Описываемый процесс получения пористого углеродного материала проводят при соответствии всех условий примеру 2, за исключением того, что карбонизацию гранул проводят при температуре 1150°C.

Характеристика пористых углеродных материалов дана в таблице.

Способ получения пористого углеродного материала с бимодальным распределением пор, включающий смешение сажи с нефтяным пеком и растворителем, гранулирование полученной смеси, стабилизацию гранул путем их нагревания в воздушной среде и карбонизацию гранул с последующим охлаждением с получением гранулированного материала с узким распределением пор, отличающийся тем, что полученный гранулированный материал с узким распределением пор измельчают до размера частиц менее 1 мм, смешивают с нефтяным пеком в присутствии растворителя, полученную смесь гранулируют, гранулы стабилизируют нагреванием до температуры не более 250°C и подвергают карбонизации при температуре 600-1200°C в инертной среде с последующим охлаждением.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области получения гранулированных активных углей. Способ получения гранулированного активного угля включает измельчение каменноугольного сырья, смешение его со смоляным связующим и легирующей добавкой, гранулирование композиции, охлаждение гранул, карбонизацию и парогазовую активацию.
Изобретение относится к области адсорбционной техники. Способ получения углеродного катионообменника включает обработку активированного угля смесью аммиака и гидразина, взятых в соотношении 1:(2-2,5).
Изобретение относится к способу получения древесноугольного сорбента, которое может быть использовано для получения активных углей и углеродных сорбентов, используемых в сельском хозяйстве (животноводстве, птицеводстве, очистке почв, а также в качестве кормовой добавки).
Изобретение относится к модифицированию промышленного активного угля. Процесс модифицирования включает промывание дистиллированной водой, прогрев при температуре 200°C в атмосфере воздуха в течение 2 часов и обработку раствором соляной кислоты с концентрацией 0,1 моль/дм3.

Изобретение направлено на получение функционализированных углеродных нанотрубок, обладающих хорошей совместимостью с полимерными матрицами. Углеродные нанотрубки подвергают обработке в парах перекиси водорода при температуре от 80°С до 160°С в течение 1-100 ч.
Изобретение относится к способам получения активных углей из сельскохозяйственных растительных отходов. Предложен способ получения активного угля, включающий измельчение соломы рапса на куски 1-10 см, карбонизацию соломы в инертной атмосфере при температуре 450-500°C со скоростью подъема температуры 1-20°C/мин и выдержкой при конечной температуре в течение 30-60 минут.

Изобретение относится к пористому углеродному композиционному материалу. Пористый углеродный композиционный материал образуется из (А) пористого углеродного материала, получаемого из материала растительного происхождения, имеющего содержание кремния (Si), составляющее 5 мас.% или выше, в качестве исходного материала, причем указанный пористый углеродный материал имеет содержание кремния, составляющее 1 мас.% или меньше, и (В) функционального материала, закрепленного на пористом углеродном материале, и имеет удельную площадь поверхности 10 м2/г или больше, которую определяют по адсорбции азота методом BET, и объем пор 0,1 см3/г или больше, который определяют методом BJH и методом МР.
Изобретение относится к области адсорбционной техники, в частности к способам получения активных углей на основе каменноугольного сырья. Предложен способ получения активного угля на основе антрацита.

Изобретение относится к области получения углеродных сорбентов на основе растительного сырья. Способ получения углеродного адсорбента включает карбонизацию измельченной древесины березы при 300-800°C в инертной среде.
Изобретение относится к магнитоуправляемому сорбенту для удаления эндо- и экзотоксинов из организма человека, приготовленному из наночастиц магнетита Fe3O4. Поверхность магнетита модифицирована соединением, образующим прочную связь с частицей-носителем за счет поверхностно-активных групп, придающих свойства селективности и выполненных в виде оболочки из нормальных углеводородных цепей C12H25, присоединенных к ядру посредством сульфидной связи Fe-S, причем в качестве упомянутого соединения, обеспечивающего связывание железа с углеродной цепочкой, выбран додецилмеркаптан.
Изобретение относится к способу получения древесноугольного сорбента, которое может быть использовано для получения активных углей и углеродных сорбентов, используемых в сельском хозяйстве (животноводстве, птицеводстве, очистке почв, а также в качестве кормовой добавки).

Изобретения могут быть использованы при очистке жидкостей и газов от органических загрязнений. Для осуществления способа загрязненные жидкость или газ подают в очистной резервуар, содержащий адсорбент на основе углерода в форме слоя, опирающегося на плиту на дне резервуара.
Изобретение относится к области получения углеродминеральных сорбционных материалов. Способ включает нанесение углеродсодержащих соединений на поверхность оксида алюминия с мезо-, макропористой структурой, сушку и пиролиз в токе инертного газа с образованием на поверхности оксида алюминия слоя пиролитического углерода.

Изобретение относится к области получения углеродных сорбентов на основе растительного сырья. Способ получения углеродного адсорбента включает карбонизацию измельченной древесины березы при 300-800°C в инертной среде.

Группа изобретений относится к области медицины и может быть использована для профилактики гнойно-септических осложнений в акушерстве. Формованный сорбент содержит нанодисперсный мезопористый углеродный материал в виде цилиндров диаметром 8-13 мм, длиной 50-80 мм, толщиной наружной стенки 2,2-3,0 мм, с одним внутренним каналом круглого сечения или шестью каналами треугольного сечения с толщиной перегородок между каналами 1,1-1,2 мм.

Изобретение относится к композиции и способам удаления ртути из потоков отходящих топочных газов. Композиция для удаления ртути из продуктов сгорания топлива содержит источник брома, источник хлора и сорбент, способный адсорбировать бром и хлор, причем значение ТНО композиции на 10°C превышает ТНО самого сорбента.

Изобретение относится к сорбентам для удаления метаболических отходов из диалитической жидкости. Сорбент включает первый слой, состоящий из смеси частиц иммобилизованного фермента, расщепляющего уремические токсины, и частиц катионообменника.

Изобретение относится к газопоглощающим материалам, в частности к спеченным неиспаряющимся геттерам, и может быть использовано в вакуумной технике и микроэлектронике, в частности в разрядных приборах.
Изобретение относится к получению регенерируемого керамического фильтра твердых частиц выхлопных газов для дизельных транспортных средств. В соответствии с заявленным способом смешивают углеродсодержащие частицы и кремнийсодержащие частицы с органическим веществом, переводят полученную смесь в формованное тело путём экструзии, проводят пиролиз и силицирование.
Изобретение относится к области получения хемосорбентов, используемых для средств защиты органов дыхания и для очистки отходящих газов. Способ получения хемосорбента включает пропитку гранул активного угля модифицирующим раствором, вылеживание гранул и их термообработку.

Изобретение относится к технологии получения углеродных сорбентов. Способ модифицирования углеродного гемосорбента включает пропитку гранул водным раствором аминокислоты, фильтрование, сушку, выдержку в инертной среде и высушивание полученного продукта. В качестве аминокислоты используют аргинин в виде водного раствора с концентрацией 10-15%. Пропитку, фильтрование и сушку гранул проводят дважды. Пропитку проводят при соотношении гемосорбент:раствор аргинина, равном 1:2-5. Выдержку осуществляют в потоке инертного газа при температуре 150-200°C. Изобретение позволяет получить сорбент, обладающий повышенной селективностью к высокомолекулярным белковым соединениям основного характера. 2 табл., 5 пр.
Наверх